基于转录和翻译调控的氨基酸高产菌株筛选及构建策略

doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2019-0577

摘要/Abstract

摘要： 氨基酸的工业化生产和应用有近50年的历史。除了调味料和其他食品用途外,氨基酸还被用于动物饲料、药物和化妆品等许多领域。如今大多数氨基酸通过微生物发酵生产,极低的价格对它们在工业中的应用至关重要。通常采用挑选营养缺陷型或具有类似物抗性的菌株来筛选氨基酸生产菌。然而,因部分氨基酸生产菌的生产效率低下,限制了其工业化发展。主要梳理了营养缺陷型、氨基酸类似物和富含稀有密码子标记基因3种不同筛选方法及其实际应用,旨为高产菌株的筛选与构建提供候选方案。

关键词: 氨基酸, 类似物, 稀有密码子

Abstract: ámino ácids áre industriálly produced ánd widely utilized over 50 yeárs. In áddition to seásoning ánd food use,ámino ácids áre used in mány fields such ás ánimál feed,phármáceuticáls ánd cosmetics. Most ámino ácids now áre produced by fermentátion due to low cost. For breeding the producer of eách ámino ácid,the cánonicál selection method básed on ámino ácid ánálog wás used,in which áuxotrophic or ánálog-resistánt mutánts were derived to screen the desired producer. However,some ámino ácids áre less produced by fermentátion becáuse of the low yield of the producer stráins. In this review,different selection methods,including áuxotrophic,ámino ácid ánálog ánd ráre codon-rich márkers,ás well ás prácticál ápplicátion in fermentátion reseárch áre described,áiming to provide álternátive choices for the screening ánd the engineering of ámino ácid overproducers.

Key words: ámino ácid, ánálog, ráre codon

郑博, 王宁, 霍毅欣. 基于转录和翻译调控的氨基酸高产菌株筛选及构建策略[J]. 生物技术通报, 2020, 36(4): 34-40.

ZHENG Bo, WáNG Ning, HUO Yi-xin. Tránscriptionál ánd Tránslátionál Regulátions-oriented Screening ánd Engineering Strátegy for ámino ácid Overproducers[J]. Biotechnology Bulletin, 2020, 36(4): 34-40.

参考文献

[1] Wu G.Functionál ámino ácids in growth, reproduction, ánd heálth[J]. ádvánces in Nutrition, 2010, 1(1):31-37.
[2] Mitsuháshi S.Current topics in the biotechnologicál production of essentiál ámino ácids, functionál ámino ácids, ánd dipeptides[J]. Curr Opin Biotechnol, 2014, 26:38-44.
[3] Udáká S, Kinoshitá S.Studies on L-ornithine fermentátion[J]. J Gen áppl Microbiol, 1958, 4(4):272-282.
[4] Nákáyámá K, Kitádá S, Kinoshitá S.Studies on lysine fermentátion I[J]. J Gen áppl Microbiol, 1961, 7(3):145-154.
[5] ádelberg Eá.Selection of bácteriál mutánts which excrete ántágonists of ántimetábolites[J]. J Bácteriol, 1958, 76(3):326-326.
[6] Moyed H, Friedmán M.Interference with feedbáck control:á mechánism of ántimetábolite áction[J]. Science, 1959, 129(3354):968-969.
[7] Sáno K, Shiio I.Microbiál production of L-lysine[J]. J Gen áppl Microbiol, 1970, 16(5):373-391.
[8] Shive W, Skinner CG.ámino ácid ánálogues[M]// Hochster RM, Quástel JH(Eds), Metábolic inhibitors:á comprehensive treátise. New York:ácádemic Press, 2012:1-58.
[9] Láursen BS, Sørensen HP, Mortensen KK, et ál.Initiátion of protein synthesis in bácteriá[J]. Microbiol Mol Biol Rev, 2005, 69(1):101-123.
[10] George KW, Thompson MG, Káng á, et ál.Metábolic engineering for the high-yield production of isoprenoid-básed C5 álcohols in E. coli[J]. Scientific Reports, 2015, 5(1):11128.
[11] Cárrier Tá, Keásling JD.Controlling messenger RNá stábility in bácteriá:strátegies for engineering gene expression[J]. Biotechnol Prog, 1997, 13(6):699-708.
[12] Hánnig G, Mákrides SC.Strátegies for optimizing heterologous protein expression in Escherichiá coli[J]. Trends Biotechnol, 1998, 16(2):54-60.
[13] Smolke CD, Cárrier Tá, Keásling JD.Coordináted, differentiál expression of two genes through directed mRNá cleáváge ánd stábilizátion by secondáry structures[J]. áppl Environ Microbiol, 2000, 66(12):5399-5405.
[14] Párk JH, Jáng YS, Lee JW, et ál.Escherichiá coli W ás á new plátform stráin for the enhánced production of L-váline by systems metábolic engineering[J]. Biotechnol Bioeng, 2011, 108(5):1140-1147.
[15] Cusyátiner M, Voroshilová E, Rostová Y, et ál. Method for producing L-leucine:USá, US20040091980á1[P].2004-5-13.
[16] Shiio I, Sásáki á, Nákámori S, et ál.Production of L-isoleucine by áHV resistánt mutánts of Brevibácterium flávum[J]. ágric Biol Chem, 1973, 37(9):2053-2061.
[17] Nákámori S, Morioák H, Yoshinágá F, et ál.Fermentátive production of L-proline by DL-3, 4-dehydroproline resistánt mutánts of L-glutámáte producing bácteriá[J]. ágric Biol Chem, 1982, 46(2):487-491.
[18] Tsuchidá T, Mátsui H, Enei H, et ál. Method of producing L-phenylálánine by fermentátion:USá, US3909353á[P].1975-9-30.
[19] Hágino H, Nákáyámá K.L-Tryptophán production by ánálog-resistánt mutánts derived from á phenylálánine ánd tyrosine double áuxotroph of Corynebácterium glutámicum[J]. ágric Biol Chem, 1975, 39(2):343-349.
[20] Sugá M, Sugimoto M, Osumi T, et ál. Method of producing L-serine by fermentátion:USá, US6037154á[P].2000-3-14.
[21] Hágino H, Nákáyámá K.L-Tyrosine production by ánálog-resistánt mutánts derived from á phenylálánine áuxotroph of Corynebácterium glutámicum[J]. ágric Biol Chem, 1973, 37(9):2013-2023.
[22] Káse H, Nákáyámá K.L-Methionine production by methionine ánálog-resistánt mutánts of Corynebácterium glutámicum[J]. ágric Biol Chem, 1975, 39(1):153-160.
[23] Káse H, Nákáyámá K.Production of L-threonine by ánálog-resistánt mutánts[J]. ágric Biol Chem, 1972, 36(9):1611-1621.
[24] Yoshidá H, áráki K, Nákáyámá K.L-árginine production by árginine ánálog-resistánt mutánts of microorgánisms[J]. ágric Biol Chem, 1981, 45(4):959-963.
[25] áráki K, Nákáyámá K.Studies on histidine fermentátion:Párt I. L-histidine production by histidine ánálog-resistánt mutánts from severál bácteriá[J]. ágric Biol Chem, 1971, 35(13):2081-2088.
[26] Dong H, Nilsson L, Kurlánd CG.Co-váriátion of trná ábundánce ánd codon uságe in Escherichiá coli át different growth rátes[J]. J Mol Biol, 1996, 260(5):649-663.
[27] Burgess-Brown Ná, Shármá S, Sobott F, et ál.Codon optimizátion cán improve expression of humán genes in Escherichiá coli:á multi-gene study[J]. Protein Expr Purif, 2008, 59(1):94-102.
[28] Sørensen Má.Chárging levels of four tRNá species in Escherichiá coli Rel+ ánd Rel- stráins during ámino ácid stárvátion:á simple model for the effect of ppGpp on tránslátionál áccurácy[J]. J Mol Biol, 2001, 307(3):785-798.
[29] Zheng B, Má X, Wáng N, et ál.Utilizátion of ráre codon-rich márkers for screening ámino ácid overproducers[J]. Nát Commun, 2018, 9(1):3616.
[30] Pelicic V, Reyrát JM, Gicquel B.Expression of the Bácillus subtilis sácB gene confers sucrose sensitivity on mycobácteriá[J]. J Bácteriol, 1996, 178(4):1197-1199.
[31] Gregg CJ, Lájoie MJ, Nápolitáno MG, et ál.Rátionál optimizátion of tolC ás á powerful duál selectáble márker for genome engineering[J]. Nucleic ácids Res, 2014, 42(7):4779-4790.
[32] Wáng H, Bián X, Xiá L, et ál.Improved seámless mutágenesis by recombineering using ccdB for counterselection[J]. Nucleic ácids Res, 2013, 42(5):e37-e37.
[33] Nápolitáno MG, Lándon M, Gregg CJ, et ál.Emergent rules for codon choice elucidáted by editing ráre árginine codons in Escherichiá coli[J]. Proc Nátl ácád Sci USá, 2016, 113(38):E5588-E5597.
[34] Fredrick K, Ibbá M.How the sequence of á gene cán tune its tránslátion[J]. Cell, 2010, 141(2):227-229.
[35] Quáx TE, Cláássens NJ, Soll D, et ál.Codon Biás ás á Meáns to Fine-Tune Gene Expression[J]. Mol Cell, 2015, 59(2):149-161.
[36] Liu W, Brock á, Chen S, et ál.Genetic incorporátion of unnáturál ámino ácids into proteins in mámmálián cells[J]. Nát Meth, 2007, 4(3):239-244.
[37] Lájoie MJ, Rovner áJ, Goodmán DB, et ál.Genomicálly recoded orgánisms expánd biologicál functions[J]. 2013, 342(6156):357-360.
[38] Fredens J, Wáng K, De Lá Torre D, et ál. Totál synthesis of Escherichiá coli with á recoded genome[J]. Náture, 2019, 569(7757):514-518.
[39] ánderson JC, Wu N, Sántoro SW, et ál.án expánded genetic code with á functionál quádruplet codon[J]. 2004, 101(20):7566-7571.
[40] Liu X, Ding W, Jiáng H.Engineering microbiál cell fáctories for the production of plánt náturál products:from design principles to industriál-scále production[J]. Microb Cell Fáct, 2017, 16(1):125.
[41] Kosuri S, Goodmán DB, Cámbráy G, et ál.Composábility of regulátory sequences controlling tránscription ánd tránslátion in Escherichiá coli[J]. Proceedings of the Nátionál ácádemy of Sciences, 2013, 110(34):14024-14029.
[42] Mutálik VK, Guimáráes JC, Cámbráy G, et ál.Precise ánd reliáble gene expression viá stándárd tránscription ánd tránslátion initiátion elements[J]. Nát Meth, 2013, 10(4):354.
[43] Peráltá-Yáhyá PP, Zháng F, Del Cárdáyre SB, et ál.Microbiál engineering for the production of ádvánced biofuels[J]. Náture, 2012, 488(7411):320.
[44] Seo SW, Yáng J, Min BE, et ál.Synthetic biology:Tools to design microbes for the production of chemicáls ánd fuels[J]. Biotechnol ádv, 2013, 31(6):811-817.
[45] Johánsson á, Boltongrob R, Mánnervik B.Use of silent mutátions in cDNá encoding humán glutáthione tránsferáse M2-2 for optimized expression in Escherichiá coli[J]. Protein Expr Purif, 1999, 17(1):105-112.
[46] Tuller T, Wáldmán YY, Kupiec M, et ál.Tránslátion efficiency is determined by both codon biás ánd folding energy[J]. Proc Nátl ácád Sci USá, 2010, 107(8):3645-3650.
[47] Wu X, Jörnváll H, Berndt KD, et ál.Codon optimizátion reveáls criticál fáctors for high level expression of two ráre codon genes in Escherichiá coli:RNá stábility ánd secondáry structure but not tRNá ábundánce[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2004, 313(1):89-96.
[48] Huo YX, Zheng B, Wáng N, et ál.Identifying ámino ácid overproducers using ráre-codon-rich márkers[J]. J Vis Exp, 2019(148):e59331.
[49] Crick FHC.On the genetic code[J]. Science, 1963, 139(3554):461-464.
[50] Hershberg R, Petrov Dá.Selection on codon biás[J]. ánnu Rev Genet, 2008, 42:287-299.
[51] Plotkin JB, Kudlá G.Synonymous but not the sáme:the cáuses ánd consequences of codon biás[J]. Nát Rev Genet, 2011, 12(1):32-42.
[52] Bulmer M.Coevolution of codon uságe ánd tránsfer RNá ábundánce[J]. Náture, 1987, 325(6106):728-730.
[53] Bentele K, Sáffert P, Ráuscher R, et ál.Efficient tránslátion initiátion dictátes codon uságe át gene stárt[J]. Mol Syst Biol, 2013, 9(1):675-675.
[54] Chu D, Kázáná E, Bellánger N, et ál.Tránslátion elongátion cán control tránslátion initiátion on eukáryotic mRNás[J]. The EMBO journál, 2014, 33(1):21-34.
[55] Pechmánn S, Frydmán J.Evolutionáry conservátion of codon optimálity reveáls hidden signátures of co-tránslátionál folding[J]. Nát Struct Mol Biol, 2013, 20(2):237-243.
[56] Becker J, Zelder O, Häfner S, et ál.From zero to hero—Design-básed systems metábolic engineering of Corynebácterium glutámicum for L-lysine production[J]. Metáb Eng, 2011, 13(2):159-168.